Лабораторная работа № 4

4 Часа Определение характеристик центробежного насоса. Работа центробежного насоса на сеть

Цель работы: практическое ознакомление с насосной установкой; определение по экспериментальным данным зависимостей V – H, V – N, V – , V – H_c и параметров рабочей точки.

Задачи работы:

• умение определять энергетические характеристики насоса (H, N, η);

• приобретение навыков построения характеристик сети (V – H_c) и графика работы насоса на сеть (V – N, V – η, V – H).

Обеспечивающие средства: стенд насосной установки включает – центробежный насос; ЛАТР для изменения частоты вращения насоса; расходный бак; всасывающий и нагнетательный трубопроводы; задвижка для регулирования расхода воды. Контрольно-измерительные приборы – стробоскопический тахометр, для определения частоты вращения насоса; дифференциальные манометр; ртутный дифференциальный манометр; амперметр переменного тока; вольтметр переменного напряжения.

Задание:

1. Получить экспериментальные характеристики центробежного насоса (V – N, V – η, V – H), проводя первую серию опытов при постоянном числе оборотов насоса n, но при разных расходах воды;

2. Определить характеристики сети (V – H_c), проводя вторую серию опытов при постоянном открытии задвижки, но при разных числах оборотов насоса;

3. Построить две характеристики сети (V – H_c) и график работы насоса (V – H,V – N, V – η);

4. Определить параметры рабочих точек и параметры экономичной работы насосной установки.

Требования к отчету: итоги лабораторной работы представить в виде таблицы 4.1. «Характеристика насоса при постоянном числе оборотов»; таблицы 4.2. «Характеристики сети при постоянном открытии задвижки»; совмещенного графика характеристики насоса и сети.

Технология работы: получить экспериментальные характеристики центробежного насоса (V – H, V – N, V – η), при постоянном числе оборотов n, изменяя расход постепенным открытием задвижки на нагнетательном трубопроводе; установить характеристики сети (V – H_c), при постоянном открытии задвижки, изменяя число оборотов насоса.

Контрольные вопросы:

1. Как устроен центробежный насос?

2. Какое назначение имеет спиральный улиткообразный канал?

3. Какие зависимости называются энергетическими характеристиками насоса?

4. Что представляют собой законы пропорциональности?

5. Из чего складывается напор H_c, теряемый в сети?

6. Какой физический смысл имеет рабочая точка?

7. Какой физический смысл имеет характеристика сети?

Описание лабораторной работы

Теоретическая часть

Во всех отраслях народного хозяйства, в том числе и в химических производствах, для транспортирования капельных жидкостей по трубопроводам используют гидравлические машины, которые сообщают потоку скорость необходимую для преодоления сопротивлений на пути перемещения. Такие гидравлические машины получили название насосов. По принципу действия, независимо от свойств перемещаемой жидкости насосы делятся на: лопастные, объемные и струйные. В группу лопастных насосов входит и центробежный насос.

Одноступенчатый центробежный насос имеет улиткообразный корпус 1, внутри которого находится рабочее колесо 2, рис. 4.1. Рабочее колесо центробежного насоса состоит из двух дисков, соединенных изогнутыми лопатками 3. Жидкость, находящаяся между ними, приводится во вращение вместе с рабочим колесом. При этом каждая частица перемещается по сложной траектории. Во-первых, центробежная сила, отбрасываемая жидкость, заставляет ее двигаться радиально, вдоль лопаток от оси колеса к периферии. Во-вторых, увлекаемая лопатками вращающего колеса жидкость, помимо радиальной скорости, приобретает еще и окружную скорость, одинаковую со скоростью колеса. Так как окружная скорость на периферии колеса больше, чем у входа в лопатки, то абсолютная (равнодействующая) скорость жидкости на выходе из колеса больше, чем на входе. Таким образом жидкость, проходящая через рабочее колесо центробежного насоса приобретает добавочное количество энергии.

Рис. 4.1. Схема центробежного насоса:

1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3 – лопатка; 4 – всасывающий патрубок;

5 – нагнетательный патрубок

Жидкость, стремительно выбрасываемая с периферии рабочего колеса, поступает в улиткообразный направляющий аппарат, который кольцом охватывает рабочее колесо. Увеличивающееся к выходному патрубку поперечное сечение направляющего аппарата приводит к плавному снижению большой скорости, полученной жидкостью на выходе с лопаток рабочего колеса, до нормальной скорости в трубопроводе. При этом часть кинетической энергии жидкости преобразуется в потенциальную энергию давления, что сопровождается увеличением напора (давления) жидкости.

Для правильной эксплуатации центробежных насосов и их подбора необходимо знать, как изменяются основные параметры насосов в различных условиях их работы. Величины, характеризующие работу центробежного насоса при данном числе оборотов, обычно представляют в виде графических зависимостей напора Н, мощности N и к.п.д.  от производительности V, рис. 4.2.

Зависимости V – H, V – N и V –  называются энергетическими характеристиками насоса. Основой считают V – H характеристику, так как расход мощности N и к.п.д.  являются следствием работы по созданию подачи V и напора Н, которые, соответственно, и являются целью применения насоса.

Рис. 4.2. Энергетические характеристики центробежного насоса

При изменении в небольших пределах числа оборотов центробежного насоса (приблизительно в 1,5–2 раза) его подача V, напор Н и потребляемая мощность N изменяются в следующих соотношениях, называемых законами пропорциональности:

; . (4.1)

Как следует из рис. 4.2, с увеличением подачи V мощность N, потребляемая насосом, непрерывно возрастает. При закрытой задвижке на нагнетательном трубопроводе (V = 0) насос потребляет минимальную мощность (на преодоление трения в подшипниках и сальнике и на перемещение жидкости рабочим колесом в корпусе насоса). Поэтому, чтобы не перегружать электродвигатель, необходимо пускать центробежный насос при закрытой задвижке.

Выбор насоса и установление числа его оборотов зависят от условий работы насоса на сеть – трубопровод. Эти условия определяются так называемой характеристикой сети (V – Н_с), т. е. зависимостью между расходом V и напором сети Н_с, необходимым для преодоления всех сопротивлений данного трубопровода.

В случае несжимаемой жидкости

Н_с = (1 + ) . (4.2)

Подставляя в это выражение значение скорости из уравнения расхода

, (4.3)

получаем

, (4.4)

где

– величина, близкая к постоянному значению для данного трубопровода (сети).

Полученное уравнение

Н_с = V² + b (4.5)

в координатах Н_с – V представляет собой параболу, рис. 4.3, вершина которой расположена на оси ординат, на высоте b = Н_под + Н_доп от начала координат (Н_под – геометрическая высота подъема жидкости; Н_доп – разность напоров в пространствах нагнетания и всасывания).

Рис. 4.3. Характеристика трубопровода (сети)

Характеристика насоса и характеристики сети представлены на общем графике, рис. 4.4.

Рис. 4.4. Совмещенные характеристики насоса и сети

Пересечение характеристик насоса V – H и сети V – H_с определяет так называемую «рабочую точку». Эта точка показывает условия совместной работы системы «насос – трубопровод (сеть)», когда Н = Н_с. В этой точке все гидравлические сопротивления трубопровода преодолеваются напором, создаваемым насосом. Вертикальная прямая, проведенная через рабочую точку, пересекает характеристики насоса V – N, V –  и ось абцисс в точках, определяющих показатели работы насоса в данных условиях.

Например, для рабочей точки А (рис. 4.4) параметры работы насоса следующие: расход V_А, напор Н_А, потребляемая мощность N_А, к.п.д. _А.

Положение рабочей точки позволяет судить о степени использования возможностей насоса в данных условиях. Если, например, рабочая точка В, то, следовательно, насос работает на другую сеть с другой характеристикой.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

На рис. 4.5 изображена схема насосной установки. Центробежный насос 1 установлен на одном валу с электродвигателем переменного тока 2, что позволяет проводить испытания насоса при разных числах оборотов, изменения которых осуществляется с помощью ЛАТРа 3. Включение насоса производится кнопками пуска (остановки) электродвигателя 4. Числа оборотов измеряют с помощью датчика тахометра 5, соединенного со стробоскопическим тахометром 6. Мощность, потребляемая насосом, определяется по показаниям амперметра переменного тока 7 и вольтметром переменного напряжения 8.

Вода засасывается насосом из расходного бака 9 с помощью всасывающего трубопровода 10, где установлены приемный обратный клапан 11, препятствующий стоку воды при заливе насоса, и вакуумметр 13. Залив насоса производят через заливной кран 15. На нагнетательном трубопроводе 12 установлены манометр 14 и задвижка 16 для регулирования расхода воды. Вода из нагнетательного трубопровода возвращается в расходный бак, откуда вновь засасывается насосом. Уровень воды в баке контролируется с помощью водомерной трубки 17. Расход воды измеряют ртутным дифференциальным манометром 19, присоединенным к диафрагме 18, установленной на нагнетательном трубопроводе. Вентиль 20 служит для опорожнения бака. На лицевой панели щита управления смонтирован автоматический выключатель 21 электрического питания с магнитным пускателем 22 и кнопками пуска (остановки) электродвигателя насоса.

Рис. 4.5. Схема насосной установки:

1 – центробежный насос; 2 – электродвигатель; 3 – ЛАТР; 4 – кнопки пуска (остановки) электродвигателя; 5 – датчик тахометра; 6 – стробоскопический тахометр; 7 – амперметр; 8 – вольтметр; 9 – расходный бак; 10 – всасывающий трубопровод; 11 – обратный клапан; 12 – нагнетательный трубопровод; 13 – вакуумметр; 14 – манометр; 15 – заливной кран; 16 – задвижка; 17 – водомерная трубка; 18 – диафрагма; 19 – дифференциальный манометр; 20 – вентиль; 21 – автоматический выключатель; 22 – магнитный пускатель

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Испытания насосной установки проводят в два этапа. В первую очередь определяют величины, необходимые для построения характеристик насоса:

V – H, V – N и V – η; во вторую – величины, необходимые для построения характеристики сети V – H_с.

На первом этапе испытания проводят при постоянном числе оборотов насоса (число оборотов задается преподавателем), но при разных расходах воды (подачах насоса). Изменение подачи производят постепенным открытием задвижки 16 на нагнетательном трубопроводе 12. Первый опыт проводят при полностью закрытой задвижке, последующие – при постепенном ее открытии. Последний опыт на этом этапе проводят при полностью открытой задвижке. Число оборотов насоса снимают с цифрового табло стробоскопического тахометра 6, это можно увидеть на рис. 4.6. При этом стробоскопический тахометр устанавливают на работу в режиме «датчик» путем нажатия соответствующей кнопки, все остальные кнопки управления тахометра должны быть отжаты.

Рис. 4.6. Лицевая панель строботахометра

При этом датчик-осветитель (фотоэлектрический первичный преобразователь) 5 ориентируют на белую контрастную метку, нанесенную на вращающуюся трубку, соединенную с валом электродвигателя и отстоящего на расстоянии не более 10 мм. После чего нажатием кнопки соответствующего поддиапазона фиксируют показания цифрового табло. Изменения регулирования задвижки на нагнетательном трубопроводе необходимо контролировать с помощью строботахометра на заданное число оборотов. При каждом обороте задвижки в сторону открытия число оборотов насоса будет уменьшаться, поэтому после поворота задвижки необходимо с помощью ЛАТРа 3 восстановить заданное число оборотов насоса, а затем одновременно произвести замеры: подачи насоса, разряжения во всасывающей трубе, давления в нагнетательной трубе, напряжения и силы тока.

На втором этапе работы испытания проводят при постоянном (заданном) открытии задвижки, но при разных числах оборотов насоса (не менее 5–7). Для каждого числа оборотов производят замеры: подачи насоса; разряжения во всасывающей трубе и давления в нагнетательной трубе. Затем изменяют положение задвижки (по заданию преподавателя) и проводят вторую серию опытов при тех же 5–7 числах, что и в первой серии.

Выше указывалось, что вершина параболы (характеристики V – H_c) располагается по оси ординат на расстоянии b от начала координат:

b = Н_под + Н_доп.

Так как в данной установке дополнительного напора Н_доп нет, то b = Н_под.

По результатам, полученным во втором этапе работы, строят две характеристики V – H_с и совместно с характеристиками насоса, полученными в первом этапе (V – H, V – N и V – ), наносят их на общий график, рис. 4.4, на пересечении кривых V – H_с и V – H получают рабочие точки А и В, по которым определяют параметры работы насосной установки.

Полный напор насоса H, выражаемый в метрах столба подаваемой жидкости, определяют следующим образом:

, (4.6)

где Р_М и Р_В – показания манометра и вакуумметра, м. вод. ст; h – расстояние между местами присоединении манометра и вакуумметра, м; w_наг и w_вс – скорость в нагнетательном и во всасывающем трубопроводах соответственно, м/с.

Так как в данной установке всасывающий и нагнетательный трубопроводы имеют одинаковый диаметр, то w_наг = w_вс.

Таким образом,

H = Р_М + Р_В + h. (4.7)

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ И СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Производительность насоса определяют по тарировочному графику в зависимости от показаний дифференциального манометра.

Мощность, потребляемая насосной установкой, Вт, определяется выражением

N = UI, (4.8)

где U – напряжение, В; I – сила тока, А.

Коэффициент полезного действия насосной установки  определяют по формуле

, (4.9)

где V – производительность (подача) насоса, м³/c;  – плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м/с²; Н – полный напор, создаваемый насосом, м вод.ст.

Все величины, измеренные в процессе испытания и полученные расчетом, записываются в отчетные таблицы 4.1 и 4.2.

Работа заканчивается построением графика, рис. 4.4, и определением параметров рабочих точек А и В.

Таблица 4.1

ХАРАКТЕРИСТИКА НАСОСА ПРИ ПОСТОЯННОМ ЧИСЛЕ ОБОРОТОВ

№ опыта

Число оборотов, n, об/мин

Производи-тельность насоса, V, м3/с

Показания дифманометра, h, мм рт. ст.

Давление

Разрежение

Полный напор, Н, м вод. ст.

Сила тока, I, А

Напря-жение, U, B

Мощ-ность, N, Вт

К.п.д., , 

PM, ат

PM, м вод. ст.

PВ, ат

PВ, м вод. ст.

I этап (при постоянном числе оборотов) n = об/мин

1. 2. 3. 4. . .

Таблица 4.2

№ опыта		Число оборотов, n, об/мин		Производи-тельность насоса, V, м3/с	Показания дифманометра, h, мм рт. ст.	Давление		Разрежение		Полный напор, Н, м вод. ст.
						PM, ат	PM, м вод. ст.	PВ, ат	PВ, м вод. ст.
II-этап (при постоянном открытии задвижки и разных числах оборотов)
1. 2. 3. . .